Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny - 2016 • Elena Naimark • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, Biologia molekularna

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny – 2016 r

Yoshinori Osumi urodził się w Japonii w Fukuoce w 1945 roku. To zdjęcie zostało zrobione w lipcu 2016 roku w jego laboratorium w Tokyo Institute of Technology. Zdjęcia z indianexpress.com

W 2016 r. Komitet Noblowski nagrodził japońskiego naukowca Yoshinori Osumi nagrodą w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie autofagii i rozszyfrowanie jej mechanizmu molekularnego. Autofagia – proces przetwarzania odpadkowych organelli i kompleksów białkowych, jest ważny nie tylko dla ekonomicznego zarządzania hodowlą komórek, ale także dla odnowienia struktury komórkowej. Rozszyfrowanie biochemii tego procesu i jego podstawy genetycznej sugeruje możliwość monitorowania i kontrolowania całego procesu i jego poszczególnych etapów. Daje badaczom oczywiste perspektywy podstawowe i stosowane.

Nauka posuwa się naprzód w tak niesamowitym tempie, że niespecjalista nie ma czasu, by zdać sobie sprawę z wagi odkrycia, a Nagroda Nobla jest już za nią przyznawana. W latach osiemdziesiątych w podręcznikach biologii, w dziale dotyczącym struktury komórkowej, można było dowiedzieć się o organellach o lizosomach – pęcherzykach błon wypełnionych enzymami w środku. Enzymy te mają na celu podział różnych dużych cząsteczek biologicznych na więcejmałe bloki (należy zauważyć, że wtedy nasz nauczyciel biologii nie wiedział jeszcze, dlaczego potrzebne są lizosomy). Zostali odkryci przez Christiana de Duve, za który w 1974 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny.

Christian de Duve wraz z kolegami oddzielił lizosomy i peroksyzomy od innych organelli komórkowych, stosując nową metodę – wirowanie, które umożliwia sortowanie cząstek na masę. Lizosomy są obecnie szeroko stosowane w medycynie. Na przykład, ukierunkowane dostarczanie leków do uszkodzonych komórek i tkanek opiera się na ich właściwościach: lek cząsteczkowy jest umieszczony wewnątrz lizosomu z powodu różnicy kwasowości wewnątrz i na zewnątrz, a następnie lizosom dostarczony z określonymi znacznikami jest wysyłany do dotkniętych tkanek.

Akumulacja autofagosomów w wakuoli w komórce drożdży. W tym doświadczeniu zastosowano kulturę zmutowanej linii drożdży, w której nie eksprymowano proteinaz. Komórki fotografowano (różne techniki fotograficzne w dwóch kolumnach) przez trzy godziny (górny rząd – na samym początku doświadczenia, drugi rząd – za 15 minut, trzeci rząd – po kolejnych 45 minutach następujące wiersze – w odstępie godziny). Zdjęcie z artykułu K. Takeshige i wsp., 1992.To autofagia

Lizosomy są nieczytelne ze względu na naturę ich aktywności – rozbijają wszelkie molekuły i kompleksy cząsteczkowe na części składowe. Węższymi "specjalistami" są proteasomy, których celem jest jedynie rozszczepienie białek (patrz: Białka przedostają się do proteasomu przez już "rozbiegany", "Elementy", 11.05.2010). Ich rola w gospodarce komórkowej jest trudna do przecenienia: monitorują enzymy, które służyły ich czasowi i niszczą je w razie potrzeby. Termin ten, jak wiemy, jest zdefiniowany bardzo dokładnie – dokładnie tyle samo czasu, ile komórka wykonuje określone zadanie. Jeśli enzymy nie zostałyby zniszczone w wyniku jego wdrożenia, wówczas trudno byłoby zatrzymać trwającą syntezę na czas.

Proteasomeny są obecne we wszystkich komórkach bez wyjątku, nawet w tych, w których nie ma lizosomów. Rolę proteasomu i mechanizm biochemiczny ich pracy badali Aaron Chekhanover, Avram Hershko i Irwin Rose pod koniec lat 70. i na początku lat 80. XX wieku. Odkryli, że proteasomy rozpoznają i niszczą białka znakowane białkiem ubikwityny. Reakcja wiązania z ubikwityną wiąże się z kosztem ATP. W 2004 r. Ci trzej naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania nad zależną od ubikwityny degradacją białek.W 2010 roku, przeglądając szkolny program dla uzdolnionych angielskich dzieci, zobaczyłem na obrazie struktury komórkowej pewną liczbę czarnych kropek, które zostały oznaczone jako proteasomy. Nauczyciel w szkole nie potrafił jednak wyjaśnić uczniom, czym jest i dlaczego potrzebne są te tajemnicze proteasomy. W przypadku tych lizosomów nie pojawiły się żadne pytania.

Nawet na początku badania lizosomów zauważono, że w niektórych z nich znajdują się części organelli komórkowych. Oznacza to, że nie tylko duże cząsteczki, ale także części samej komórki są rozkładane na lizosomy. Proces trawienia własnych struktur komórkowych nazywa się autofagią – czyli "jedzeniem". W jaki sposób części organelli komórkowych dostają się do hydrolaz zawierających lizosomy? Już w latach osiemdziesiątych Yoshinori Osumi zaczął studiować tę kwestię, badając strukturę i funkcje lizosomów i autofagosomów w komórkach ssaków. On i jego współpracownicy wykazali, że autofagosomy pojawiają się w masie w komórkach, jeśli są hodowane na pożywce o niskiej wartości odżywczej. Pod tym względem postawiono hipotezę, że autofagosomy tworzą się, gdy potrzebne jest zapasowe źródło energii – białka i tłuszcze, które tworzą dodatkowe organelle.W jaki sposób powstają te autofagosomy, czy są one potrzebne jako źródło dodatkowego pożywienia lub do innych celów komórkowych, w jaki sposób lizosomy znajdują je w celu trawienia? Wszystkie te pytania na początku lat 90. nie miały odpowiedzi.

Podejmując niezależne badania, Osumi skupił się na badaniach nad autofagosomami drożdżowymi. Uznał, że autofagia powinna być zachowawczym mechanizmem komórkowym, dlatego wygodniej jest badać ją na prostych (względnie) i wygodnych obiektach laboratoryjnych.

W drożdżach autofagosomy znajdują się wewnątrz pęcherzyków, a następnie rozpadają się. Ich wykorzystanie jest obsługiwane przez różne enzymy-proteinazy. Jeśli proteinazy są uszkodzone w komórce, autofagosomy gromadzą się w wakuolach i nie rozpuszczają się. Osumi użył tej właściwości do otrzymania kultury drożdży ze zwiększoną liczbą autofagów. Uprawiał kultury drożdży na ubogich mediach – w tym przypadku autofagosomy pojawiają się w obfitości, dostarczając żywność do głodującej komórki. Jednak w jego hodowlach wykorzystano zmutowane komórki z nieczynnymi proteinazami. W rezultacie komórki szybko zgromadziły masę autofagosomów w wakuolach.

Autofagosomy (AV) wewnątrz wakuoli (V). Skala długości 1 mikron. Zdjęcie z artykułu K. Takeshige i wsp., 1992.

Autofagosomy, jak wynika z jego obserwacji, są otoczone jednowarstwowymi błonami, wewnątrz których może znajdować się wiele różnych treści: rybosomy, mitochondria, granulki lipidowe i glikogen. Dodając lub usuwając inhibitory proteazy do hodowli niezmutowanych komórek, możliwe jest zwiększenie lub zmniejszenie liczby autofagosomów. W tych eksperymentach wykazano, że te ciała komórkowe są trawione za pomocą enzymów proteinazowych.

Bardzo szybko, w ciągu zaledwie jednego roku, stosując metodę losowej mutacji, Osumi zidentyfikował 13-15 genów (APG1-15) i odpowiadające im produkty białkowe zaangażowane w tworzenie autofagów (M. Tsukada, Y. Ohsumi, 1993. Izolacja i charakterystyka wad autofagicznych mutanty Saccharomyces cerevisiae). Wśród kolonii komórek z wadliwą aktywnością proteinazy, pod mikroskopem, wybrał te, w których nie było autofagosomów. Następnie, kultywując je osobno, dowiedziałem się, które geny zepsuły. Zajęło jego grupie kolejne pięć lat, aby odcyfrować, jako pierwsze przybliżenie, molekularny mechanizm działania tych genów.

Kompleks białek APG12 i APG5, na pośrednim etapie powstawania którego pojawia się kompleks APG12-APG7. Cały proces wiąże się z kosztem energii ATP (wskazanej jako ATP w tym schemacie).Osumi i jego współpracownicy zdołali ustalić, w jaki sposób zorganizowana jest ta kaskada, w jakiej kolejności i w jaki sposób białka te komunikują się ze sobą. W wyniku działania tych konglomeratów białkowych warstwa lipidowa rozszerza się, co tworzy membranę autofagosomu. Schemat z artykułu N. Mizushima i wsp., 1998. System koniugacji białek niezbędny do autofagii

Można było dowiedzieć się, w jaki sposób układa się tę kaskadę, w jakiej kolejności i w jaki sposób białka te wiążą się ze sobą, tak, że wynikiem jest autofagosom. Do roku 2000 stało się jasne, w jaki sposób wytworzyć membranę wokół uszkodzonych organelli do recyklingu. Pojedyncza membrana lipidowa zaczyna rozciągać się wokół tych organelli, stopniowo otaczając je, aż końce membrany zbliżają się do siebie i łączą, tworząc podwójną membranę autofagosomów. Fiolka ta jest następnie transportowana do lizosomu i połączona z nim.

Schemat izolacji wadliwych organelli. Kiedy przybywa zewnętrzny sygnał, zarodek warstwy membrany tworzy się obok organelli, do niej przyłączone są białka kompleksu APG (żółte i czerwone koła), które w pewien sposób wiążą się ze sobą poprzez regulację rozciągania membrany wokół organelli. W rezultacie końce membrany łączą się i łączą, tworząc dwuwarstwową membranę autofagosomów. Schemat z komunikatu prasowego Komitetu Noblowskiego

W procesie tworzenia się błony zaangażowane są białka APG, których analogi Yoshinori Osumi i współpracownicy również znaleziono u ssaków.

Tworzenie autofagosomów w komórkach wątroby szczura. Lokalizację białka LC3, analogu APG8, badano w autofagosomach. To białko jest zlokalizowane na zewnątrz (czarne strzałki) i wewnętrzne (białe strzałkia) autofagosomalna membrana, podobnie jak białka APG. Zdjęcie z artykułu Y. Kabeya i wsp., 2000. LC3, ssaczy homolog drożdżowy Apg8p, jest zlokalizowany w błonach autofagosomalnych po przetworzeniu

Dzięki pracy Osumi zobaczyliśmy cały proces autofagii w dynamice. Punktem wyjścia badań Osumi był prosty fakt obecności tajemniczych małych ciał w komórkach. Teraz naukowcy mają możliwość, choć hipotetyczną, zarządzać całym procesem autofagii.

Autofagia jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania komórki, ponieważ komórka musi być w stanie nie tylko zaktualizować swoją biochemiczną i architektoniczną ekonomię, ale także pozbyć się niepotrzebnych. Istnieją tysiące zużytych rybosomów i mitochondriów, białek błonowych, zużytych kompleksów molekularnych w komórce – wszystkie z nich muszą zostać przetworzone ekonomicznie i ponownie wprowadzone do obiegu. To rodzaj recyklingu komórkowego. Proces ten nie tylko zapewnia znane oszczędności, ale także zapobiega szybkiemu starzeniu się komórek.Zakłócenie autofagii komórkowej u ludzi prowadzi do rozwoju choroby Parkinsona, cukrzycy typu II, raka i niektórych zaburzeń charakterystycznych dla starszego wieku. Oczywiście zarządzanie procesami autofagii komórkowej ma ogromne perspektywy, zarówno pod względem podstawowym, jak i zastosowanym.

Źródła:
1) Kazuhiko Takeshige, Misuzu Baba, Shigeru Tsuboi, Takeshi Noda i Yoshinori Ohsumi. Autofagia w drożdżach wykazujących niedobór proteinazy The Journal of Cell Biology. 1992. V. 119 (2). P. 301-311. DOI: 10.1083 / jcb.119.2.301.
2) Miki Tsukada, Yoshinori Ohsumi. Izolacja i charakteryzacja mutantów z wadą autofagiczną Saccharomyces cerevisiae // Listy FEBS. 1993. V. 333. P. 169-174. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (93) 80398-E.
3) Noboru Mizushima, Takeshi Noda, Tamotsu Yoshimori, Yae Tanaki, Tomoko Ishii, Michaela D. George'a, Daniela J. Klionika, Mariko Ohsumiego i Yoshinori Ohsumiego. Koniugacja białek niezbędna do autofagii // Natura. 1998. V. 395. P. 395-398. DOI: 10.1038 / 26506.
4) Yukiko Kabeya, Noboru Mizushima, Takashi Ueno, Akitsugu Yamamoto, Takayoshi Kirisako, Takeshi Noda, Eiki Kominami, Yoshinori Ohsumi i Tamotsu Yoshimori. LC3, ssaczy homolog drożdży Apg8p, jest zlokalizowany w błonach autofagosomowych po przetworzeniu // Dziennik EMBO. 2000. V. 19 (21). P. 5720-5728. DOI: 10.1093 / emboj / 19.21.5720.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: